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  • 罗马2062年前就造出来了?这种梦想的“隐形”应力波斗篷

    罗马2062年前就造出来了?这种梦想的“隐形”应力波斗篷

    一项新的研究表明,哈利·波特的隐形斗篷能完美地控制光波,使物体隐形,这种隐形斗篷能否成为现实还有待观察,但要完善一件更重要的隐形斗篷是不可能的。它可以很好地引导地面上的应力波,比如爆炸产生的应力波,绕过建筑物等物体,使它们“不可触摸”。尽管对几十篇关于“弹性动力”隐身的理论论文提出了质疑。

    罗马2062年前就造出来了?这种梦想的“隐形”应力波斗篷

    但佐治亚理工学院的这项新研究作者并不认为土木工程师应该完全放弃它,而仅仅是放弃理想隐身衣的想法。有限的遮盖仍然可以为建筑物增加一定程度的保护,特别是对地震中常见的一些应力波。有了斗篷,人们就有了这样的期望,如果你从任何方向受到任何形式的应力波,斗篷就应该能够将物体隐藏起来。我们现在看到这是不可能的,但对于一类大的扰动。

    罗马2062年前就造出来了?这种梦想的“隐形”应力波斗篷

    • (博科园-图示)隐形斗篷演示了如何使用电磁隐身隐身工作;在左边,电磁波可能是光,当击中中间的圆柱体时就会散射。在右边,圆柱体是隐形的;波浪不会散开,对站在田野上的旁观者来说,它似乎是看不见的。图片:Creative Commons, upload.wikimedia
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    即平面内扰动,或许可以设计出一件好的隐身衣。在地震中,面内扰动是沿着地球表面的平坦、宽阔或平坦路径运动的地震波。亚瓦里和与亚瓦里一起研究的研究生助理阿什坎·戈尔冈(Ashkan Golgoon)在领先的固体理论力学期刊《理性力学与分析档案》(Archive for Rational Mechanics and Analysis)上发表了他们的研究成果。

    梦想的斗篷

    隐身的梦想是引导压力波穿过一个根本不存在的结构,这和隐形斗篷的梦想有很多相似之处。隐形斗篷能使光电磁波弯曲,绕过物体,然后指向另一边。击中观众眼睛的光波会揭示出物体背后的东西,而不是物体本身。在弹性动力学隐身中,波不是电磁的,而是机械的,在地面上运动。假设,把物体遮盖起来就能使它与海浪完全隔绝。

    罗马2062年前就造出来了?这种梦想的“隐形”应力波斗篷

    在一种情况下,比如说,为了保护核反应堆不受任何穿过地面的应力波的影响,无论是自然灾害还是人为灾难,理想情况下,土木工程师可能会把反应堆底部埋到地面下的一个洞里。他们会用特殊的材料在它周围建造一个保护圆筒或一个半球形的地下碗来引导应力波绕圆运动。有梦,也有研究结果。研究证明了隐形衣的形状并不重要,不管是球形还是圆柱形,不能完全隐形。

    错误的类比

    电磁(光)隐身的许多理论和数学已经被转移到弹性动力学隐身研究中,其中一些理论和数学似乎已经对弹性动力学隐身的研究造成了障碍。很多时候,来自其他领域的类比是有用的,但是弹性增加了电磁学中没有的多种物理因素。例如,角动量的平衡在许多研究文献中被破坏了。角动量是旋转运动中质量的一种性质,它不受变化的影响。

    罗马2062年前就造出来了?这种梦想的“隐形”应力波斗篷

    许多人都经历过角动量,通过倾斜一个旋转的陀螺仪,看着它固执地沿着一条意想不到的路径移动。虽然它是波,但光是光子,没有质量。另一方面,应力波通过物质(特别是固体物质,而不是液体或气体)这就为方程增加了关键的现实动力学。这些动态也会影响隐藏物体的洞,没有它,应力波在介质中传播相当均匀,但有了它,应力集中在孔周围,破坏了波型的整齐几何形状。

    罗马斗篷?

    如果理想的解决方案不存在,那就制造一个不完美的。数学表明,从严格意义上讲,伪装是不可能的。当你明白了这一点,就不会浪费时间了。你会根据所知道的目标压力或你想要保护的负荷来制定优化问题。如果工程师们使用的材料具有特定预应力,具有一定的弹性和密度分布,并在研究中详细说明,那么他们就可以抵御重要的地震应力,现实生活中的斗篷可能达不到理想,但仍然很伟大。

    罗马2062年前就造出来了?这种梦想的“隐形”应力波斗篷

    如果不是100%的波浪能,我只感觉到10%或20%,这将是一件大事,因为工程不是追求绝对的理想。根据《麻省理工学院技术评论》(MIT Technology Review)的一份报告,即使是出了名数学的古罗马人,似乎也无意中在圆形剧场的设计中建造了地震斗篷。

    罗马2062年前就造出来了?这种梦想的“隐形”应力波斗篷

    它们与现代实验隐身装置的相似之处,可能帮助它们在地震活跃地区保存了2062年。这项新研究还检验了土木工程中一个流行的观点,即用一系列具有微观结构的材料建造房屋,使它们成为“伴生固体”,这可能使它们能够完美地隐身。研究作者的结论是,这也行不通。这项研究没有考虑所谓的超材料。

    罗马2062年前就造出来了?这种梦想的“隐形”应力波斗篷

    博科园|研究/来自:佐治亚理工学院

    参考期刊《理性力学与分析档案》

    DOI: 10.1007/s00205-019-01389-2

    博科园|科学、科技、科研、科普

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